(57)【要約】  分解炉は、流体の流れを運ぶための熱分解菅１を含み、熱分解菅は、環状流路５を一緒に画定する半径方向内側本体３と半径方向外側壁２とを含む。半径方向内側本体と半径方向外側壁との少なくとも１つが、流体が熱分解菅に沿って流れるにつれて流体の循環を促進するように、熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びる中心線を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを運ぶための熱分解菅を含む分解炉であって、前記熱分解菅が環状流路を一緒に画定する半径方向内側本体と半径方向外側壁とを含み、前記半径方向内側本体と前記半径方向外側壁との少なくとも１つが、流体が熱分解菅に沿って流れるにつれて流体の循環を促進するように、熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びる中心線を有している、分解炉。
【請求項２】
エチレンを製造するための分解炉であって、前記熱分解菅がガス流を運ぶためのものである、請求項１に記載の分解炉。
【請求項３】
前記熱分解菅が、前記環状流路の下流の半径方向外側壁によって画定された非環状流路を備えている、請求項１または２に記載の分解炉。
【請求項４】
前記非環状流路の前記半径方向外側壁が、前記熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びる中心線を有している、請求項３に記載の分解炉。
【請求項５】
前記非環状流路の前記半径方向外側壁が、前記熱分解菅の長手方向に直線の中心線を有している、請求項３に記載の分解炉。
【請求項６】
前記環状流路の前記半径方向外側壁が、前記非環状流路の前記半径方向外側壁の内径よりも大きな内径を有している、請求項３、４または５に記載の分解炉。
【請求項７】
前記熱分解菅が、前記分解炉内を延びる長さを有しており、前記環状流路が前記熱分解菅の前記長さの５０％以下の長さを有している、請求項３に記載の分解炉。
【請求項８】
前記熱分解菅が、各々それぞれの環状流路を一緒に画定するそれぞれの半径方向内側本体とそれぞれの半径方向外側壁とを有する複数の分岐部であって、各分岐部の前記半径方向内側本体と前記半径方向外側壁との少なくとも一方が、流体流れの循環を促進するように構成されており、分岐点で一緒につながっている分岐部と非環状流路とが分岐部の下流に設けられている複数の分岐部を含む、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項９】
前記熱分解菅が延びる分解炉の燃焼領域に少なくとも１つのバーナーを含み、前記熱分解菅が炉内で前記燃焼領域から離れて下流に延びている、請求項１に記載の分解炉。
【請求項１０】
前記熱分解菅が、入口からそこへ下向きに延びている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項１１】
前記内側本体が中空である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の分解炉
【請求項１２】
前記半径方向内側本体も前記半径方向外側壁も、前記熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びるそれぞれの中心線を有している、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項１３】
前記中心線が一致している、請求項１２に記載の分解炉。
【請求項１４】
前記熱分解菅の長手方向と直角に測定される前記環状流路の幅が、前記半径方向外側菅の直径の２５％以下である、請求項１３に記載の分解炉。
【請求項１５】
前記熱分解菅の長手方向と直角に測定される前記環状流路の幅が、前記菅の円周方向に変化する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項１６】
前記半径方向内側本体が直線の中心線を有し、前記半径方向外側壁が螺旋状に延びる中心線を有している、請求項１乃至１１または１５のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項１７】
前記半径方向内側本体が螺旋状に延びる中心線を有し、前記半径方向外側壁が直線の中心線を有している、請求項１乃至１１または１５のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項１８】
前記熱分解菅の長手方向と直角に測定される前記環状流路の最大幅が、前記半径方向外側菅の直径の半分以下である、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項１９】
長手方向に間隔をあけた支持体が、熱分解菅内に内側本体を支持するために設けられ、第１のこのような支持体が半径方向外側壁および内側本体に固定されており、第２のこのような支持体が、半径方向外側壁に固定され、かつ内側本体の半径方向外側に位置しているが、そこへ固定されていない少なくとも１つの支持部材を含む、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項２０】
前記熱分解菅が、前記分解炉を通る流れの二重の流路を提供し、第１の流路の上流部と第２の流路の下流部とを含み、前記下流部が、前記分解炉のバーナーに対して少なくともある程度まで上流部の影の中にある、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項２１】
前記半径方向内側本体および／または前記半径方向外側壁が、前記環状流路内に突出する少なくとも１つの螺旋状突起を有している、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の分解炉。
【請求項２２】
炭化水素原料を熱分解して分解生成物を製造する方法であって、請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の分解炉の熱分解菅に前記炭化水素原料を供給する工程を含む方法。
【請求項２３】
エチレン、プロピレンおよびブタジエンの少なくとも１つを製造する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスまたは液体などの流体の流れを運ぶための熱分解菅を含む分解炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
エチレン分解炉では、少なくとも１つの熱分解菅が炭化水素供給原料の流れをプロセスガスとして運びながら貫通する火室内にバーナーが設けられている。分解炉では、炭化水素原料は、エチレン、プロピレンおよびブタジエンなどの所望の生成物にできる限り早く変換されることが望ましい。できるだけ高い温度および、できるだけ低い炭化水素分圧での熱分解菅内の少ない滞留時間が、好ましい生成物に対する選択性を決定する主なパラメータである。
【０００３】
分解炉内の熱分解菅の内面はコークス形成を受けやすく、いったん熱分解菅の運転終了条件に達すると、一定の間隔で炭素を取り除く必要がある。運転終了条件は、熱分解菅の内面へのコークスの蓄積の程度に依存し、熱分解菅の長さにわたる最大許容圧力降下または最大許容熱分解菅金属温度によって制限され得る。圧力降下も熱分解菅金属温度も、熱分解菅の内面への、このコークス堆積によって増大する。それらの冶金学的限界に近い熱分解菅の操作はクリープおよび浸炭をもたらすため、過度の熱分解菅金属温度は望ましくない。
【０００４】
コークス形成速度は、コークスが形成される熱分解菅の内面での原料転化率および温度に依存する。原料転化率が高ければ高いほど、そして内面の温度が低ければ低いほど、コークス形成は少なくなる。
【０００５】
特許文献１から、菅の内側に円筒体を設けることによって熱分解菅から菅に沿って流れる流体への全体的な伝熱を増大させることが知られている。この本体は周囲の菅からの輻射を受け、それを本体の周囲の流体に伝達する。この熱分解菅内の流れは、菅の長さに沿って主に軸方向である。
【０００６】
特許文献２または特許文献３から、菅の内面での層流層の厚さを減少させる渦巻流を促進し、内側壁から菅の中心部への物質移動を促進し、それによって、直管の伝熱と比較して壁から離れる対流伝熱を増大させる螺旋形状をもった熱分解菅を提供することが知られている。このデザインは、追加の圧力降下に関して最小の不利益とともに伝熱を増大させるというさらなる利点を有する。
【０００７】
特許文献４から、分解炉を通る流れの二重の流路を提供する熱分解菅を有する分解炉を提供することが知られている。２つの上流部があり、次いで２つの上流部が共通の下流部に流れ込むときに流れの方向の反転がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００５／０６８９２６号
【特許文献２】国際公開第２００６／０３２８７７号
【特許文献３】国際公開第２０１０／０３２０２４号
【特許文献４】国際公開第２００５／０７５６０７号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、流体の流れを運ぶための熱分解菅を含む分解炉であって、熱分解菅が一緒に環状流路を画定する半径方向内側本体と半径方向外側壁とを含み、半径方向内側本体と半径方向外側壁との少なくとも一方が、流体が熱分解菅に沿って流れるにつれて流体の循環を促進するように熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びる中心線を有する分解炉が提供される。
【００１０】
環状流路内の流体の流れの循環の促進は、流体への伝熱を改善する。旋回流は、軸方向の速度成分いわゆる渦巻流の上に接線方向の速度成分も半径方向の速度成分も有する流体をもたらすことができる。したがって、環状通路は、少なくとも実施形態の説明では、環状渦巻流路として考えられる。環状通路内の渦巻流が対流伝熱を改善する一方、内側本体の存在が環状流路を作り、同時に表面積対体積比を増大させる。少ない滞留時間を達成し、収率すなわち所望の分解生成物の生成を改善することが可能である。
【００１１】
環状渦巻流路の例としては、半径方向内側本体も半径方向外側壁も熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びるそれぞれの中心線を有する第１のタイプの熱分解菅と、半径方向内側本体が直線の中心線（または１つの平面内でのみ湾曲した中心線）を有し、半径方向外側壁が螺旋状に延びる中心線を有する第２のタイプと、半径方向内側本体が螺旋状に延びる中心線を有し、半径方向外側壁が直線の（または１つの平面内でのみ湾曲する）中心線を有する第３のタイプとが挙げられる。
【００１２】
第３のタイプの実施形態は、半径方向内側本体のみが螺旋状に延びる中心線をもって形成される必要があり、半径方向外側壁は従来の菅によって提供することができるという利点を有する。これにより、製造が比較的安価になる。
【００１３】
流体は、エチレンおよび／または他のガス状生成物を製造するための分解炉の場合のようにガスであってもよく、またはビスブレーカ分解炉の場合のように液体であってもよい。
【００１４】
熱分解菅は、分解炉内にその全長、例えば分解炉の炉室または火室を通る全長に実質的に沿って環状流路を有することができる。
【００１５】
ある実施形態では、熱分解菅は、環状流路の下流の半径方向外側壁によって画定された非環状流路を備える。環状流路を設けることによって、流体への改善された熱流束が得られ、熱分解はより早く始まる。しかし、少なくともエチレンまたは他のガス状生成物を製造するための分解炉の場合、環状区域の幅が限られているため、これはコークス堆積物を収容する能力の低下を犠牲にして、もってコークスの形成が多い区域の非環状流路と比較して相対的な圧力降下の増加をもたらす。したがって、環状流路の下流に非環状流路を設けることによって、コークス形成の増加の結果としての圧力降下の増加が減少し、コークス堆積の増加に対処するためにより大きな断面積が利用可能になる。さらに、この下流の通路では、望ましい反応生成物の濃度は増大し、もって二次反応によってコークス堆積物と共に副産物を生成する傾向がある。この領域では、生成物の濃度および対応する二次反応の反応速度ができるだけ低くなるように低い炭化水素分圧を有することが有益である。これらすべては、非環状流路によって達成される。したがって、環状流路の下流に非環状流路を設けることにより、コークス層の厚さを受け入れ、望ましい反応生成物の収率に対する圧力降下の影響を最小にするために、より大きな断面積が利用可能になる。
【００１６】
実施形態では、非環状流路において、半径方向外側壁内の全断面積が流れのために利用可能である。すなわち、半径方向内側本体はない。
【００１７】
熱分解菅は、分解炉内の熱分解菅の長さの７５％以下に延びる環状通路を有していてもよい。実施形態では、環状流路は、分解炉内の熱分解菅の長さの７０％または６５％または６０％または５５％または５０％以下に延びていてもよい。分解炉内の熱分解菅の残りの部分は、非環状通路を含んでいてもよい。
【００１８】
非環状流路は、熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びる中心線を有する半径方向外側壁によって画定することができる。あるいは、非環状流路は、熱分解菅の長手方向に直線の（または単一の平面内でのみ湾曲している）中心線を有する半径方向外側壁によって画定することができる。
【００１９】
環状流路の半径方向外側壁は、非環状流路の半径方向外側壁の内径よりも大きな内径を有していてもよい。これは、流れが非環状流路に入るときに平均軸流速が減少するあらゆる傾向を減少させるのに役立ち得る。環状流路の半径方向外側壁と非環状流路の半径方向外側壁との間に移行部が設けられてもよい。
【００２０】
熱分解菅は、各々それぞれの環状流路を一緒に画定するそれぞれの半径方向内側本体とそれぞれの半径方向外側壁とを有する複数の分岐部を含み、各分岐部の半径方向内側本体と半径方向外側壁との少なくとも一方は、流体流れの循環を促進し、分岐部は分岐点で一緒につながり、非環状流路は分岐点の下流に設けられる。
【００２１】
このような構成は、表面積対体積比を望ましく増加させ、特に渦巻流を発生させる流体流れの循環を促進し、それによって複数の分岐部がある熱分解菅のより上流部での伝熱を改善する。さらに下流の圧力降下は、非環状流路を設けることによって最小にすることができる。
２つの分岐部があってもよく、その場合、分岐点はＹ分岐点であってもよい。
【００２２】
熱分解菅が分岐部を含む実施形態では、分岐部のうちの少なくとも１つの環状通路の長さは、その分岐部の長さプラス分岐点の下流に延びる熱分解菅の長さの７５％または７０％または６５％または６０％または５５％または５０％以下であってもよい。
【００２３】
熱分解菅は入口からそこへ下向きに延びていてもよい。したがって、熱分解菅に沿った流体の流れは下向きであり得る。熱分解菅の頂部に入口があると、任意の鋤で掘られたコークスは、入口を塞がずに、それはデコーキング中に急速に燃焼し得る場所に行きつくことができる。これは菅の通過数には関係ない（以下でさらに説明する）。
【００２４】
熱分解菅は、分解炉のチャンバを貫通する単一の流路を有することができる。それは、例えばチャンバの一端に入口を有し、他端に出口を有することができる。このような構成は滞留時間を著しく短縮する。いくつかの単一の流路の実施形態では、熱分解菅は、それによって熱分解菅に沿った流体の流れの通路が下方向である入口から下向きに延びている。これは、破砕したコークスに関して上記利点を有する。
【００２５】
熱分解菅は、分解炉のチャンバすなわち二重の流路の熱分解菅を２度貫通していてもよい。これらの実施形態では、それぞれの流路はＵベンド管によってつなぐことができる。この構成は、ナフサや軽油などの液体原料を熱分解するよりも長い滞留時間を必要とするエタンやプロパンなどのガス状原料を分解するのに、より魅力的なこともある。例えば、熱分解菅は、チャンバの上部領域に入口と出口とを有し、流体の流れは、最初に第１の通過では下向きであり、次いで第２の通過では上向きである。
【００２６】
単一の流路配置では、例えば上から下の下降流配置で、環状流路の下流に非環状流路があってもよい。二重の流路配置では、第１の流路は環状流路を含み、第２の流路は非環状流路を含んでもよい。
【００２７】
熱分解菅が分解炉を通る二重の流路を提供する実施形態では、熱分解菅は、第１の流路内の上流部と第２の流路内の下流部とを含むことができ、下流部は、少なくともある程度まで、分解炉のバーナーに対して上流部の影の中にあり得る。したがって、上流部は、下流部の外側で受けた熱がより均一になるという利点を生かしながら下流部よりも多く輻射熱にさらされ得る。これにより、この下流部の熱分解菅の壁のピーク温度を減少させることができ、したがって、ピークの熱分解菅の壁の温度が冶金学的限界に近づく傾向を減少させることができる。これは、炉がデコーキング手順の間に操作され得る期間を延長することができる。
【００２８】
環状流路分岐部がつながっている実施形態では、それらは、流れの方向がほぼ同じまま、例えば流れの下向きにつながっていてもよい。したがって、単一の流路配置では、各々環状流路を画定する２つの分岐部がＹ分岐点でつながり、次いで流れは非環状流路内を同じ一般的な方向、例えば下向きに続くことができる。
【００２９】
代替の構成では、複数の分岐部内の流体流れは、ほぼ平行で同じ方向、例えば下向きであり得、分岐部がつながっている分岐点の下流の非環状流路内の流体流れの方向は、反対方向、例えば上向きであってもよい。したがって、分岐点の後にＵベンド管を設けることができ、または各分岐部に対して１つの複数のＵベンド管を設けることができ、分岐点はＵベンド管の下流に設けられる。いずれにしても、非環状流路は、少なくともある程度まで、分解炉のバーナーに対して上流の分岐部の少なくとも１つの影の中にあり得る。したがって、環状流路をもった分岐部は、下流部の外側で受けた熱がより均一になるという利点を生かしながら下流部よりも多く輻射熱にさらされる。上記のように、これにより、この下流部の熱分解菅の壁のピーク温度を減少させることができ、したがって、ピークの熱分解菅の壁の温度が冶金学的限界に近づく傾向を減少させることができ、それによって炉がデコーキング手順の間に操作され得る期間を延長することができる。
【００３０】
熱が分解炉に供給される方法にはいくつかの選択肢がある。少なくとも１つのバーナーは、炉室の上部領域または炉室の底部領域または炉室の頂部と底部との間の中間領域（すなわち側面燃焼）に設けられてもよく、または前記の任意の組合せがあってもよい。頂部燃焼のみの場合、煙道または排気ガスは下向きに流れることができる。頂部燃焼と側面燃焼との組合せの場合、煙道ガスは下向きに流れることができる。側面燃焼のみの場合には、煙道ガスは下向きまたは上向きに流れることができる。底部燃焼のみの場合、煙道ガスは上向きに流れることができる。底面燃焼と側面燃焼との組合せの場合、煙道ガスは上向きに流れることができる。
【００３１】
ある実施形態では、分解炉は、熱分解菅が延びる分解炉の燃焼領域に少なくとも１つのバーナーを含み、熱分解菅は炉内で燃焼領域から離れて下流に延びる。頂部燃焼炉の場合、熱分解菅は炉内を下流にかつ燃焼領域から離れて下流に延びていてもよい。
【００３２】
熱分解菅の上流部への熱流束を最大にすることによって、あらゆるコークスが菅の内面にわたってより均等に分配され、菅の材料がその可能性を最大限に利用され、そして内側本体がより効果的に使用される。熱分解菅の上流部に燃焼領域を設けることによって、流体が出るときよりも低い温度で熱分解菅に入るため、最大菅表皮温度まで、より多くの余裕が得られ、より高い熱流束が可能になる。さらに、環状流路が熱分解菅の上流部に設けられている場合、少なくとも１つのバーナーによって外側管温度が上昇すると、半径方向外側壁から内側本体への輻射伝熱が増大する。これにより、熱分解が始まる点までの流体温度の上昇が改善され、熱分解反応転化率が上昇し、そして反応温度レベルが増大し、収率スレート、すなわち望ましい反応生成物の出力流体中の濃度が改善される。
【００３３】
熱分解菅は入口からそこへ下向きに延びてもよい。例えば、熱分解菅への入口は炉室の頂部にあってもよく、出口は炉室の底部にあってもよい。あらゆる破砕したコークスは、入口から離れて菅を落下し得、もってその後入口を塞がず、デコーキング中に急速に燃焼し得る場所に行きつくことができる。
熱分解菅内の流体の下向きへの流れの場合には、頂部燃焼および／または側面燃焼が有益である。
【００３４】
流体流れの循環の促進は、環状流路内に突出する螺旋状フィンなどの少なくとも１つの螺旋状突起を有する半径方向内側本体および／または半径方向外側壁によって、さらに改善され得る。例えば、半径方向内側本体は、流体流れの循環を促進するために少なくとも１つの螺旋状突起を備えた本体を有することができる。
【００３５】
環状通路は、中断されることなく実質的に連続的に内側本体の周りに延びることができる。したがって、環状通路が内側本体の周りに円周方向に延びるときに環状通路をさえぎるバッフルまたはフィンは、なくてもよい。
【００３６】
半径方向内側本体も半径方向外側壁も熱分解菅の長手方向に螺旋状に延びるそれぞれの中心線を有する実施形態では、螺旋循環の軸と螺旋状の中心線とは一致してもよい。したがって、螺旋状の中心線は同じピッチおよび振幅を有してもよく、同位相でもよい。
【００３７】
このような構成では、熱分解菅の長手方向と直角に測定される環状流路の幅は菅の周りの異なる円周点で同じであろう。この幅は、好ましくは半径方向外側壁の直径の５０％以下、より好ましくは半径方向外側壁の直径の４０％または３５％または３０％または２５％以下である。内側本体と半径方向外側壁との間の隙間を比較的小さくすると有益である。所与の流速に対する平均流体速度は、より小さな半径方向幅とともに増大し、対応して伝熱が増大するため、これは、半径方向外側壁の温度を低下させることができる。しかし、圧力降下は増大する。その場合、菅は、菅の金属温度ではなくて圧力降下によって制限されるようにデザインすることができる。菅の金属温度を低下させることによって、クリープおよび浸炭速度が低下する。
【００３８】
熱分解菅の長手方向と直角に測定される環状流路の幅は、菅の円周方向に変化してもよい。幅は、内側本体の第１の側面上の最小値から第１の側面と正反対の第２の側面上の最大値まで円周方向に増大してもよい。幅は、第１の側面から第２の側面へ円周方向に漸進的に増大してもよい。同じ円周方向に続いて、幅は、第２の側面から第１の側面へ漸進的に減少してもよい。
【００３９】
熱分解菅の長手方向と直角に測定される環状流路の変化する幅は、例えば、内側本体が直線の中心線（または単一の平面内で湾曲した中心線）を有し、半径方向外側壁が螺旋状の中心線を有する第２のタイプの熱分解菅について生じる。それは、内側本体が螺旋状の中心線を有し、半径方向外側壁が直線の（または単一の平面内で湾曲した）中心線を有する第３のタイプの熱分解菅についても生じる。
【００４０】
ある実施形態では、熱分解菅の長手方向と直角に測定される環状流路の最大幅は、半径方向外側菅の直径以下であり、その直径の半分以下であり得る。
内側本体が比較的高い輻射率を有すると好都合である。実際には、これは、それが光沢面ではなくて、つや消し面を有することを意味する。このようなつや消し面は、コークス層が形成される表面上に得られる。
【００４１】
内側本体を熱分解菅内に支持するために少なくとも１つの支持体を設けることができる。長手方向に離間した支持体を設けてもよい。第１のこのような支持体は、半径方向外側壁および内側本体に固定されてもよく、第２のこのような支持体は、半径方向外側壁に固定され、かつ内側本体の半径方向外向きに位置しているが、そこへ固定されていない少なくとも１つの支持部材を含み得る。第１の支持体は、内側本体の重量を支え得る。第２の支持体は、半径方向外側壁と内側本体との間の相対移動を可能にしながら内側本体を配置することを補助することができる。これは、示差熱移動および示差クリープの場合に有益である。第２の支持体の支持部材は、内側本体の半径方向外側に位置しているが内側本体にそこへ固定されていないリングであり得る。支持部材は、外側壁から支持部材まで半径方向内向きに突出する半径方向リブによって半径方向外側壁に固定されてもよい。
【００４２】
内側本体は、半径方向外側壁に接触するのを妨げられ得る。それは、環状流路および比較的均一な熱分布のための一貫した形状を提供するために、ほぼ中央の位置に保持され得る。
内側本体は中実または中空であり得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、内側本体は中空体である。これは中実体よりも軽い。また、中空体の内側のガスは、例えば、より下のより熱い下流部からより高いより冷たい上流部への垂直の伝熱において、内側本体の一部から別の部分への伝熱を補助することができる。
他の実施形態では、例えば、より小さな直径の内側本体の場合には、内側本体は中実体であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
本発明のある好ましい実施形態を、例として、添付図面を参照してここで説明する。
【図１】第１のタイプの熱分解菅の一部の長手方向略断面図である。
【図２】図１の線ｌｌ−ｌｌ上で撮られた図１の熱分解菅を通る横断面図である。
【図３】第２のタイプの熱分解菅の一部の長手方向略断面図である。
【図４】図３の線ＩＶ−ＩＶ上で撮られた図３の熱分解菅を通る横断面図である。
【図５】第３のタイプの熱分解菅の一部の長手方向略断面図である。
【図６】図５の線ＶＩ−ＶＩ上で撮られた図５の熱分解菅を通る横断面図である。
【図７】第１のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図であり、その全長を示す。
【図８】第２のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図であり、その全長を示す。
【図９】図８の線ＩＸ−ＩＸ上で撮られた横断面図である。
【図１０】図８の線Ｘ−Ｘ上で撮られた横断面図である。
【図１１】第３のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図であり、その全長を示す。
【図１２】フィンを含むように修正された、第１のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図であり、その全長を示す。
【図１３】フィンを含むように修正された、第２のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図であり、その全長を示す。
【図１４】フィンを含むように修正された、第３のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図であり、その全長を示す。
【図１５】熱分解菅が分解炉の長さを２度貫通する二重の流路配置で使用するための、第２のタイプの熱分解菅の長手方向略断面図である。
【図１６】熱分解菅が分解炉の長さを２度貫通する二重の流路配置で使用するための、第２のタイプの熱分解菅の変形の長手方向略断面図である。
【図１７】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図１８】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図１９】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図２０】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図２１】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図２２】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図２３】熱分解菅を有する分解炉の垂直面における略断面図である。
【図２４】更なる変形例の熱分解菅を通る長手方向略断面図である。
【図２５】更なる変形例の熱分解菅を通る長手方向略断面図である。
【図２６】更なる変形例の熱分解菅を通る長手方向略断面図である。
【図２７】更なる変形例の熱分解菅を通る長手方向略断面図である。
【図２８】更なる変形例の熱分解菅を通る長手方向略断面図である。
【図２９】更なる変形例の熱分解菅を通る長手方向略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１及び図２を参照すると、熱分解菅１は、内側本体３を円周方向に延びるように囲む半径方向外側管状壁２を備えている。内側本体３は、中空体であり、それによって半径方向内側壁および半径方向外側管状壁が、この実施形態ならびに他の図示および説明される実施形態ではガスである流体の流れＦのための環状流路５を一緒に画定する半径方向内側壁４を熱分解菅に提供する。本実施形態は、エチレンを製造するための分解炉、すなわちエチレン分解炉に適用可能である。
【００４６】
熱分解菅１は、この実施形態では直線の、螺旋循環軸とも呼ばれることもある長手方向中心軸６を有する。長手方向中心軸６は、長手方向に見たときの熱分解菅の「設置面積」を含む仮想包絡柱９の中心軸に沿って位置している。半径方向外側管状壁２は、長手方向中心軸６の周りの螺旋流路を辿る中心線７を有する。内側本体３は、長手方向中心軸６の周りの螺旋流路を辿る中心線８を有する。この実施形態では、半径方向外側管状壁２の螺旋状の中心線７と内側本体３の螺旋状の中心線８とは一致している。すなわち、中心線は同じピッチおよび振幅であり、互いに同位相である。流路５は、螺旋状に曲がりくねる環状流路である。
【００４７】
内側本体３は、長手方向に見たときの内側本体の「設置面積」を含む仮想包絡柱１０内に含まれている。長手方向中心軸６は、仮想包絡柱１０の中心軸に沿って位置している。
螺旋状の中心線７、８は、振幅ＡおよびピッチＰを有する。半径方向外側管状壁２の内径はＤ0として示され、内側本体３の外径はＤ1として示される。この明細書では、螺旋線の相対振幅は、螺旋線の振幅Ａを半径方向外側管状壁の内径Ｄ0で割ったもの、すなわちＡ／Ｄ0とみなされる。相対ピッチは、ピッチＰを半径方向外側管状壁の内径Ｄ0で割ったもの、すなわちＰ／Ｄ0とみなされる。
環状流路５は、長手方向中心軸６に対して半径方向に幅Ｗを有する。この第１のタイプの熱分解菅では、幅Ｗは流路５の環状部の周りで一定である。
【００４８】
図３及び図４は、第２のタイプの熱分解菅１を示す。図１及び図２で使用されているものに対応する参照番号が適宜使用される。第２のタイプは、内側本体３が螺旋状ではなくて円筒形の形状を有するという点で第１のタイプと異なる。内側本体３は、中空体であり、それによって半径方向内側壁および半径方向外側管状壁が、ガスの流れＦのための環状流路５を一緒に画定する半径方向内側壁４を熱分解菅に提供する。
【００４９】
円筒形の内側本体３の中心線８は、長手方向に見たときの半径方向外側管状壁２を含む仮想包絡柱９の中心軸に沿って位置する熱分解菅の長手方向中心軸６上に位置している。したがって、この第２のタイプの熱分解菅の場合には、内側本体３は直線の中心線８を有する。この場合、長手方向に見たときの内側本体３の「設置面積」を含む仮想包絡柱１０は、内側本体それ自体の円筒形状に対応する。
半径方向外側管状壁２は螺旋状の中心線７を有し、この中心線は振幅ＡおよびピッチＰを有する。
【００５０】
本効果は、環状流路５が螺旋形状を有することである。長手方向に横断する平面内の流路を示す図４に見られるように、流路５は、最小幅Ｗminの横断面と最大幅Ｗmaxの横断面とを有する。横断面で見たときの最小幅Ｗminの位置も最大幅Ｗmaxの位置も、熱分解菅の長さに沿って、すなわち長手方向に対して回転する。したがって、流路５は、螺旋状に曲がりくねる環状流路である。
半径方向外側管状壁２の内径はＤ0として示され、内側本体３の外径はＤ1として示される。
【００５１】
図５及び図６は、第３のタイプの熱分解菅１を示す。図１及び図２で使用されているものに対応する参照番号が、適宜図５および６で使用される。第３のタイプは、半径方向外側管状壁２が螺旋形状を有しているのではなくて円筒形であるという点で第１のタイプと異なる。内側本体３は、中空体であり、それによって半径方向内側壁および半径方向外側管状壁が、ガスの流れＦのための環状流路５を一緒に画定する半径方向内側壁４を熱分解菅に提供する。
【００５２】
この第３のタイプについての熱分解菅の長手方向中心軸６も、長手方向に見たときの半径方向外側管状壁２の中心線７である。この場合、長手方向に見たときの熱分解菅の「設置面積」を含む仮想包絡柱９は、円筒形の半径方向外側管状壁２に対応する。
内側本体３は螺旋形であり、その中心線８は、熱分解菅の長手方向中心軸６の周りの螺旋流路を辿る。内側本体３は、長手方向に見たときの内側本体の「設置面積」を含む仮想包絡柱１０内に含まれる。長手方向中心軸６は、仮想包絡柱１０の中心軸に沿って位置している。
内側本体３の螺旋状の中心線８はピッチＰおよび振幅Ａを有する。
【００５３】
従って、この第３のタイプの熱分解菅の場合には、半径方向外側管状壁２は直線の中心線７を有する一方、内側本体３は螺旋状の中心線８を有する。本効果は、環状流路５が螺旋形状を有することである。長手方向に横断する平面内の流路を示す図６に見られるように、流路５は、最小幅Ｗminの横断面と最大幅Ｗmax横断面内とを有する。横断面で見たときの最小幅Ｗｍｉｎの位置も最大幅Ｗｍａｘの位置も、熱分解菅の長さに沿って、すなわち長手方向に対して回転する。したがって、流路５は螺旋状に曲がりくねる環状流路である。
半径方向外側管状壁２の内径はＤ0として示され、内側本体３の外径はＤ1として示される。
【００５４】
図１乃至図６は、第１、第２および第３のタイプの熱分解菅を示す。半径方向外側壁２および／または内側本体３は、螺旋状の中心線を有するように押出加工によって形成することができる。その場合、半径方向外側壁２および／または内側本体３は、螺旋循環軸、すなわち長手方向中心軸６と直角の平面内で円形であってもよい。あるいは、半径方向外側壁２および／または内側本体３は、螺旋状の中心線を有するように円筒形の菅または棒から形成されてもよい。その場合、半径方向外側壁２および／または内側本体３は、螺旋状の中心線７および／または８と直角な平面内で円形であってもよい。
【００５５】
図７は、分解炉を貫通する単一の流路を提供するための分解炉に取り付けるべき形態の第１のタイプの熱分解菅１を示す。熱分解菅１は、半径方向外側管状壁２と内側本体３とを有する環状渦巻流路３１の形態の主要部を有する。熱分解菅１は第１のタイプであるため、半径方向外側管状壁２も内側本体３も螺旋状の中心線を有する。熱分解菅１は上端部に入口部４０を有し、下端部に出口部４２を有する。入口部４０も出口部４２も円筒形であり、それぞれ直線の中心線を有する。第１の上部移行部４７は、上部入口部４０と環状流れ部３１との間に位置しており、第１の下部移行部５０は、環状流れ部３１と出口部４２との間に位置している。
【００５６】
その下端において、第１の上部移行部４７は、熱分解菅１の環状渦巻流路３１の半径方向外側管状壁２につながっている。それは、その直線の長手方向中心軸をもった上部入口部４０から螺旋状の中心線７をもった半径方向外側管状壁２への移行をもたらす（図１参照）。
第１の下部移行部５０の上端部は、環状渦巻流路３１の半径方向外側管状壁２の下端部につながっている。したがって、第１の下部移行部５０は、その螺旋状の中心線７をもった半径方向外側管状壁２からその直線の中心線をもった出口部４２への移行をもたらす。
内側本体３は、その上端部に、内側本体３の外側および半径方向外側管状壁２の内側の周りで第１の上側移行部４７から環状流路５に入る流れＦを誘導するように構成されているオジーブ(分布曲線)６０を有する。半径方向外側管状壁２も内側本体３も共に一致する螺旋状の中心線を有する。
内側本体３は、その下端部に、流れＦが環状流路を離れるときに流れＦを誘導するように構成されている第２のオジーブ(分布曲線)６０を有する。
【００５７】
内側本体３をその下端部に半径方向外側管状壁２内に保持するための第１の支持機構５１が設けられている。図８に示し、さらなる詳細が図９及び図１０に見られる第２のタイプの熱分解菅について同様の支持機構５１が設けられている。支持体６１は、内側本体３の下部領域に設けられ、半径方向外側管状壁２と内側本体との間に半径方向に延びる３つの等角度に間隔をあけた半径方向支持部材７５から成る。半径方向支持部材７５は、熱分解菅１を通る流れＦに対する乱れを最小にするように長手方向に低側面を有する。支持体６１の半径方向支持部材７５は、半径方向外側管状壁２に対する中央位置に内側本体３を保持する。支持体６１は、内側本体３の重量を支える。
【００５８】
戻って図７を参照すると、内側本体３の上端部には、内側本体３を半径方向外側管状壁２内に中央に保持するための第２の支持機構５２が設けられている。第２の支持機構は、スペーサリング（図示せず）の半径方向内側に画定された空間内に上向きに突出するガイドピン６８を含む。スペーサリングは、半径方向外側管状壁２からスペーサリングまで半径方向内側に突出し、それによって、それを所定の位置に保持する３つの等角度に間隔をあけた半径方向支持部材６７によって支持されている。ガイドピン６８は、半径方向外側管状壁２の内側のほぼ中央位置に留まるようにスペーサリングによって緩く保持されている。スペーサリングによって内側本体３の頂部でガイドピン６８にもたらされる緩い支持によって、半径方向外側の管状壁２および内側本体３の相対的な熱膨張が許容される。
【００５９】
図８は、分解炉内で単一の流路の熱分解菅として使用するための（図３及び図４に示すような）第２のタイプに基づく熱分解菅１を示す。図示された熱分解菅１は、螺旋状の中心線をもった半径方向外側管状壁２と直線の中心線をもった内側本体３とを有する環状渦巻流部３１の形態の主要部を有する。
第１の上部移行部４７は、上部入口部４０と環状流れ部３１との間に位置しており、第１の下部移行部５０は、環状流れ部３１と出口部４２との間に位置している。第１の上部移行部４７は、その下端部で熱分解菅１の環状渦巻流部３１の半径方向外側管状壁２につながっている。それは、その直線の長手方向中心軸をもった上部入口部４０から、その螺旋状の中心線７をもった半径方向外側管状壁２への移行をもたらす（図３参照）。
【００６０】
第１の下部移行部５０の上端部は、環状渦巻流部３１の半径方向外側管状壁２の下端部につながっている。したがって、第１の下部移行部５０は、その螺旋状の中心線７をもった半径方向外側管状壁２から、その直線の中心線をもった出口部４２への移行をもたらす。
内側本体３は、その上端部に、内側本体３の外側かつ半径方向外側管状壁２の内側の周りで第１の上部移行部４７から環状流路５に入る流れＦを誘導するように構成されているオジーブ(分布曲線)６０を有する。
内側本体３は、その下端部に、流れＦが環状流路を離れるときに流れＦを誘導するように構成されている第２のオジーブ(分布曲線)６０を有する。
この場合、内側本体３は、螺旋状ではなく直線の中心線を有するが、図７に関して説明したのと同様の方法でその下端部で支持されている。さらなる詳細を図９に示す。したがって、支持機構５１は、内側本体３の下部領域に設けられた支持体６１を有する。
【００６１】
支持体６１は、半径方向外側管状壁２と内側本体３との間に半径方向に延びる３つの等角度に間隔をあけた半径方向支持部材７５から成る。図９で見てわかるように、半径方向支持部材７５は、熱分解菅１を通る流れＦに対する乱れを最小にするように長手方向に低側面を有する。支持体６１の半径方向支持部材７５は、内側本体３を半径方向外側管状壁２に対して中央位置に保持する。支持体６１は、内側本体３の重量を支える。円周方向に隣接する半径方向支持部材７５間の角度１２０°が図９に示されている。
【００６２】
内側本体３の上端部には、内側本体３を半径方向外側管状壁２の中央に保持するための第２の支持機構５２が設けられている。第２の支持機構５２は、内側本体３が半径方向内側に延びる空間を画定するスペーサリング７１を含む。スペーサリング７１は、半径方向外側管状壁２からスペーサリング７１まで半径方向内側に突出し、それによって、それを所定の位置に保持する３つの等角度に間隔をあけた半径方向支持部材６７によって支持されている。円周方向に隣接する半径方向支持部材６７間の角度１２０°が図１０に示されている。
内側本体３は、半径方向外側管状壁２内のほぼ中央位置に留まるように、スペーサリング７１と内側本体の頂部とによって緩く保持されている。スペーサリング７１によって、その頂部で内側本体３にもたらされる緩い支持によって、半径方向外側の管状壁２および内側本体３の相対的な熱膨張が許容される。
【００６３】
図１１は、分解炉内で単一の流路の熱分解菅として使用するための（図５及び図６に示すような）第３のタイプに基づく熱分解菅１を示す。図示された熱分解菅１は、直線の中心線をもった半径方向外側管状壁２と、螺旋状の中心線をもった内側本体３とを有する環状渦巻流部３１の形態の主要部を有する。
第２の上部移行部４８は、上部入口部４０と環状流れ部３１との間に位置しており、第２の下部移行部５３は、環状流れ部３１と出口部４２との間に位置している。
【００６４】
第２の上部移行部４８は、その下端部で熱分解菅１の環状渦巻流部３１の半径方向外側管状壁２につながっている。それは、円錐形であり、直線の長手方向中心軸と、その直線の中心線７をもった半径方向外側管状壁２の直径よりも小さな直径とを有する上部入口部４０からの移行もたらす（図５参照）。
第２の下部移行部５３の上端部は、環状渦巻流部３１の半径方向外側管状壁２の下端部につながっている。第２の下部移行部５３は、円錐形であり、直線の中心線７とその直線の長手方向中心軸をもった出口部４２の直径よりも大きな直径とを有する半径方向外側管状壁からの移行をもたらす。
【００６５】
内側本体３は、その上端部に、第２の上部移行部４８から内側本体３の外側および半径方向外側管状壁２の内側の周りの環状流路５に入る流れＦを誘導するように構成されているオジーブ(分布曲線)６０を有する。
内側本体３は、その下端部に、流れＦが環状流路を離れるときに流れＦを誘導するように構成されている第２のオジーブ(分布曲線)６０を有する。
【００６６】
内側本体３は、図７に関して説明したのと同じである第１の支持装置５１によってその下端部で支持されている。内側本体３の上端部は、図７に関して説明したのと同じである第２の支持装置５２によって支持されている。
図１２は、分解炉内で単一の流路の熱分解菅として使用するための（図１および２に示すような）第１のタイプに基づく熱分解菅１を示す。この場合、内側本体は、螺旋状に湾曲した長手方向フィン６６が設けられている。螺旋状フィン６６は、内側本体３の螺旋形状と同じ掌性をもった螺旋形状を有している。螺旋状フィン６６、内側本体および半径方向外側管状壁２の位相は同相である。
【００６７】
図１３は、分解炉内で単一の流路の熱分解菅として使用するための（図３及び図４に示すような）第２のタイプに基づく熱分解菅１を示す。この場合、円筒形の内側本体３は、螺旋状に湾曲した長手方向フィン６６を備えている。螺旋状フィン６６は、半径方向外側管状壁２の螺旋形状と同じ掌性をもった螺旋形状を有している。螺旋状フィン６６および半径方向外側管状壁２の位相は同相である。
図１４は、分解炉内で単一の流路の熱分解菅として使用するための（図５及び図６に示すような）第３のタイプに基づく熱分解菅１を示す。この場合、内側本体は、螺旋状に湾曲した長手方向フィン６６が設けられている。螺旋状フィン６６は、内側本体３の螺旋形状と同じ掌性をもった螺旋形状を有している。螺旋状フィン６６は、内側本体３と同相の螺旋形状を有している。
【００６８】
図１５は、熱分解菅が分解炉の長さを２度貫通する二重の流路配置で使用するための（図３および４に示すような）第２のタイプに基づく熱分解菅１を示す。熱分解菅は、ほぼＵ字形であり、その上流部ＵＰすなわち「Ｕ」の上流のリムに環状渦巻流部３１、およびその下流部ＤＰすなわち「Ｕ」の下流のリムに環状渦巻流部３５を有する。
本明細書に開示されている他のすべての渦巻流部３５と同様に、渦巻流部３１は内部本体を有しておらず、もってその中に画定された通路は非環状である。通路はほぼ円形の断面形状を有する。
【００６９】
ガスの流れＦは、直線の入口部４０を介して入り、直線の出口部４２を介して出る。第１の上部移行部４７は、入口部４０の下に、入口部４０と環状渦巻流部３１との間に位置している。第３の上部移行部４９は、出口部４２の下に、渦巻流部３５と出口部４２との間に位置している。第３の上部移行部４９は、螺旋状の中心線をもった渦巻流部３５とその直線の長手方向中心軸をもった出口部４２との間の移行をもたらす。
第１の下部移行部５０は、環状渦巻流部３１の下に、その環状渦巻流部と第１の真線の中間部３７との間に位置している。第３の下部移行部５４は、第２の直線の中間部３７の上に、その部分３７と渦巻流部３５との間に位置している。第３の下部移行部５４は、その直線の長手方向中心軸をもった第２の直線の中間部３７と、その螺旋状の中心線をもった渦巻流部３５との間の移行をもたらす。Ｕベンド菅部３６は、第１および第２の直線の中間部３７を接続するように構成されている。
【００７０】
環状渦巻流部３１は、第１の支持機構５１によって支持される内側本体３をその下端部に含み、第２の支持機構５２によって支持される内側本体３をその上端部に含む。内側本体３、それが支持されている半径方向外側管２、ならびにその支持機構５１および５２の形状は、図８、図９及び図１０に関して説明したものと同じである。
【００７１】
図１６は、Ｕベンド菅部３６の下流に渦巻流部３５が設けられている代わりに、従来の流れ部分３３があることを除いて、図１５と同様の熱分解菅１を示す。これは、その下端部でＵベンド菅部３６に直接接続しており、その上端部で出口部４２に直接接続している。
図１７は、熱分解菅１が貫通する頂部燃焼火室１２を有する分解炉１１を示す。火室１２の屋根には一対の下向燃焼バーナー２０が設けられている。バーナーは、それによってバーナーの炎が火室１２の中へ下向きに向けられる燃料／空気混合物を受けるように構成されている。火室１２はＬ字形を有し、使用時に煙道ガス２３がそこを通って火室から排出される煙道ガス出口２４を含む。
【００７２】
熱分解菅１は、火室１２を貫通する単一の流路をもたらすように構成されている。熱分解菅は、環状渦巻流部３１をもった上流部ＵＰと、渦巻流部３５をもった下流部ＤＰとを有する。
直線の入口部４０はガスの流れＦを受けるように構成されている。入口部４０は、火室の燃焼ゾーン２５内の環状渦巻流部３１に接続されている第１の上部移行部４７に接続されている。中間移行部３４は、環状渦巻流部３１の下に、その環状渦巻流部とその渦巻流部３５との間に設けられている。第３の下部移行部５４は、渦巻流部３５の下に、その渦巻流部と出口部４２との間に設けられている。
【００７３】
環状渦巻流部３１は、図３及び図４に関して説明した第２のタイプの熱分解菅に対応する形状を有する。それは、円筒形の内側本体３、螺旋状の半径方向外側管状壁２および螺旋状に曲がりくねる環状流路である環状流路５を有する。内側本体３の下端部の第１の支持機構５１と内側本体の上端部の第２の支持機構５２とを含む環状渦巻流部３１のさらなる構成上の詳細は、図８、図９及び図１０に記載されたものに対応する。
図１７の構成は、螺旋流路の上流に螺旋状に曲がりくねる環状流路を提供する。
【００７４】
図１８は、図１７のものと同様であり、したがって同じ特徴を示すために同じ参照番号を使用する分解炉の別の実施形態を示す。図１８の実施形態は、頂部燃焼炉室または火室１２をもった分解炉１１と、ガスの流れＦのための単一の流路の構成で延びる熱分解菅１とを含む。熱分解菅１の上流部ＵＰは、第２のタイプの熱分解菅にしたがって構成され、図１７の実施形態と同じように、円筒形の内側本体３と螺旋状の半径方向外側管状壁２とをもった環状渦巻流部３１を有する。しかし、上流部ＵＰの下流で下流部ＤＰは、図１７に示すような渦巻流部３５ではなく、従来の流れ部分３３、すなわち直線の中心線をもった円筒状の半径方向外側管状壁を有するものを含む。環状渦巻流部３１は、第２の中間移行部３９を介して従来の流れ部分３３に接続され、螺旋から直線への移行をもたらす。
従って、図１８の実施形態では、熱分解菅１は、螺旋状に曲がりくねる環状流路である環状流路５をもった上流部ＵＰと、円筒形の半径方向外側管状壁を有し内側本体がない従来の円筒形の流れ部分である下流部ＤＰとを有する。
【００７５】
図１９は、上から下へのガスの流れＦのための火室１２および単一の流路の熱分解菅１を有する分解炉１１の別の実施形態を示す。熱分解菅１は、図１７のものと同じ形状を有し、もって、その図の説明は図１９の実施形態に適用可能である。図１９の火室は、図１７のものと同じでもある下向燃焼バーナー２０を有し、もって、その説明はここでも適用可能である。図１９の実施形態と図１７の実施形態との間の違いは、火室１２が火炎２７を生成するための燃料／空気混合物２１の入力を各々受けるための一対の側壁バーナー２６を備えていることである。
【００７６】
図２０は、分解炉１１の別の実施形態を示し、この場合、底部燃焼火室１２を有する。一対の上部燃焼バーナー２０が、燃料／空気混合物２１のそれぞれの流れを受けるために火室１２の床に設けられている。火室１２は、上下逆「Ｌ」形であり、煙道ガス２３を排出するための煙道ガス出口２４を有する。
図２０の分解炉は、図１７のものと同じ形状を有する熱分解菅１を備えている。ガスの流れＦは、上から下への単一の流路で熱分解菅１を通り抜ける。図１７に関する熱分解菅１の説明は、図２０の熱分解菅１にも適用可能である。
【００７７】
図２０の実施形態の場合、燃焼ゾーン２５は、火室１２の下部にある。したがって、使用時、ガスの流れＦは、火室の非燃焼ゾーンに位置する螺旋状に曲がりくねる環状流路である流路５から火室の燃焼ゾーン２５内の渦巻流部３５（環状ではない）内に流れる。
図２１は、火室１２と熱分解菅１とを有する分解炉１１の別の実施形態を示す。この実施形態の特徴は、図２０のものと同じであり、もって図２０の実施形態の説明は、図２１の実施形態に適用可能である。図２１の実施形態は、燃料／空気混合物２１が供給されて火炎２７を生成する側壁バーナー２６をさらに備えている点で図２０のものと異なる。
【００７８】
図２２は、火室１２と、火室を貫通して単一の流路で延びる熱分解菅１とを有する分解炉１１の別の実施形態を示す。熱分解菅１の構成は、図１７のものと同じであり、もって図１７の説明は、図２２の実施形態にも適用可能である。図２２の実施形態は、分解炉が側面燃焼火室を有する点で図１７のものと異なる。複数の側壁バーナー２６が火室１２の側壁に設けられ、各々は燃料／空気混合物２１の入力を受けて燃焼火炎２７を生成する。側壁バーナー２６は、３段に、火室１２の屋根の近くの上段、次いで上段の下の２つのそれぞれの段に配置されている。したがって、火室１２の燃焼ゾーンは火室のほぼ上半分にあり、熱分解菅１の環状渦巻流部３１はこの燃焼ゾーンを貫通する。環状流路を有しない渦巻流部３５は、燃焼ゾーン２５の下流に設けられている。
【００７９】
図２３は、火室１２と熱分解菅１とをもった分解炉１１の別の実施形態を示す。図２３の実施形態では、煙道ガス２３を排出するための煙道ガス出口２４は、図２０のものと同じであるが、バーナーの配置が異なる。図２３では、火室１２は、燃料／空気混合気流２１を受けて火室内に火炎２７を生成する複数の側面取付バーナー２６を有する。側壁バーナー２６は、３段に配置されており、火室の床の近くに下段、次いでその上に２段がある。使用時には、ガスの流れＦは、燃焼ゾーンがない熱分解菅１の上流部ＵＰを下向きに通り抜けて燃焼ゾーン２５に部分的に入り、環状渦巻流部３１の下部は、側壁バーナー２６の上段に隣接して位置している。次いで、流れＦは、完全に燃焼ゾーン２５内にある渦巻流部３５内に下向きに続く。
【００８０】
図１５乃至図２３の実施形態では、各々環状渦巻流部３１を有する上流部ＵＰと非環状流れ部（従来の流れ部分３３か、または渦巻流部３５のいずれか）を有する下流部ＤＰとを有し、環状流れ部の半径方向外側管状壁２の内径が非環状流れ部の半径方向外側壁２の内径よりも大きいことが理解されよう。
図２４乃至図２９は、熱分解菅１のデザインの変形を示す。すべてのこれらの変形では、熱分解菅１は、単一の下流部ＤＰに流れ込む２つの上流部ＵＰ１とＵＰ２とを有する。各場合、各上流部は、環状渦巻流部３１を含む。各下流部は、渦巻流部３５か、または従来の流れ部分３３のいずれか、すなわち直線の中心線をもった円筒形の半径方向外側管状壁を有するものを含む。
【００８１】
図２４及び図２５の実施形態は、分解炉を通るガスの流れＦの単一の流路を提供する。各場合、２つの上流部ＵＰ１とＵＰ２とは、２つの上流部の各々を流れる別々のガスが下流部ＤＰで単一の流れに成るＹ分岐部３８でつながっている。各上流部は、第２のタイプの熱分解菅のデザインにしたがって構成されており、互いに同じ特徴を有する。各上流部ＵＰ１、ＵＰ２は、頂部に入口部４０、その下に第１の上部移行部４７、およびその下に螺旋状に曲がりくねる環状流路である流路５を提供する環状渦巻流部３１を有する。環状渦巻流部３１は、その下端部で、第２の中間移行部３９を介してＹ分岐部３８に接続されており、螺旋から直線への移行をもたらす。
【００８２】
環状流路５を提供する２つの上流部ＵＰ１およびＵＰ２の部分の構成は、図８、図９及び図１０に関して説明されたものに対応する。円筒形の内側本体３は、内側本体３の下端部の第１の支持機構５１と、内側本体の上端部の第２の支持機構５２とによって螺旋状の半径方向外側管状壁２の内側に支持される。支持機構に関するさらなる詳細は、図８、図９及び図１０の説明において上で説明されている。上流部と下流部ＵＰ１、ＵＰ２との特徴は、図２４及び図２５の実施形態において同じである。下流部ＤＰは、これら２つの実施形態の間で異なる。
【００８３】
図２４の実施形態では、下流部ＤＰは、渦巻流部３５を提供するように螺旋状の外側菅２を有する。渦巻流部３５は内側本体を有さず、もって、そこに画定された通路は非環状である。通路はほぼ円形の断面形状を有する。第３の下部移行部５４は、渦巻流部３５の下に、渦巻流部と直線の出口部４２との間に位置しており、螺旋から直線への移行をもたらす。
図２５の実施形態では、Ｙ分岐部３８の下流に、図２４に示すような渦巻流部３５ではなく、従来の流れ部分３３が設けられている。従来の流れ部分３３は、出口部４２に直接接続されている。
【００８４】
図２６、図２７、図２８及び図２９の実施形態は、分解炉を通る流れＦの二重の流路を提供する熱分解菅に関する。各場合、流れの方向は、１つ以上のＵベンド管によって、２つの上流部ＵＰ１およびＵＰ２における下向きの流れ方向から単一の下流部ＤＰにおける上向きの流れ方向へ逆にされる。各場合、２つの上流部ＵＰ１、ＵＰ２は、第２のタイプの熱分解菅のデザインをもった環状渦巻流部３１を有する。したがって、それらは各々円筒形の内側本体３と、螺旋形状をもった半径方向外側管状壁２と、螺旋状に曲がりくねる環状流路である流路５とを有する。
【００８５】
図２６の実施形態を参照すると、２つの上流部ＵＰ１、ＵＰ２は互いに同じ構成を有するため、それらの一方のみを説明する。各上流部ＵＰ１、ＵＰ２はそれぞれ入口部４０を備えている。第１の上部移行部４７は、入口部４０の下に位置しており、環状渦巻流部３１、すなわち螺旋状に曲がりくねる環状流路５を有する熱分解菅のその部分につながっている。環状渦巻流部３１の下端部では、第１の下部移行部５０が直線の中間部３７に接続され、今度はこの中間部３７がＵベンド管部３６の１つのリムに接続されている。Ｕベンド管部３６は、別の直線の中間部３７に接続する別のリムを有しており、これは、Ｙ−分岐部３８に接続する。Ｙ−分岐部３８の上には、下流部ＤＰの渦巻流部３５に接続する第３の中間移行部４１が設けられている。これは、Ｙ分岐部の直線部分から、螺旋状の中心線をもったその半径方向外側管状壁２をもった渦巻流部３５への移行をもたらす。第３の上部移行部４９が、渦巻流部３５の下端部と出口部４２の上端部との間に設けられて、螺旋から直線への移行をもたらす。
【００８６】
図２７の実施形態では、２つの上流部ＵＰ１およびＵＰ２、下部移行部５０、直線の中間部３７、Ｕベンド管部３６ならびにＹ−分岐部３８の構成は、図２６の実施形態と同等の特徴のものと同じであり、したがって、図２６に関するそれらの説明は、図２７に適用可能である。図２７の実施形態は、下流部ＤＰが渦巻流３５ではなく従来の流れ部分３３を有する点で図２６のものと異なる。その上端部では従来の流れ部分３３はＹ−分岐部３８に直接接続され、その下端部では直線の出口部４２に直接接続されている。
【００８７】
図２６及び図２７の実施形態では、上流部ＵＰ１およびＵＰ２の各々は、それぞれＵベンド管部３６を介してそれぞれの上流部ＵＰ１およびＵＰ２からの流れがつながるＹ−分岐部３８につながっていることが理解されるであろう。２つのＵベンド管部３６と、その一方の下流にＹ−分岐部３８とがある。
図２６も図２７もその熱分解菅では、下流部ＤＰは、上流部ＵＰ１とＵＰ２との間に位置している。例えば図１７乃至図２３の構成のいずれかに示されるように、このような熱分解菅が分解炉内のバーナー間に位置するとき、下流部ＤＰは、上流部ＵＰ１およびＵＰ２よりもバーナーからより熱遮蔽される。本効果は、炉からの入熱が、菅がバーナーからの輻射熱に直接さらされる場合により大きくなり、そうでない場合により小さくなるのではなく、下流部ＤＰを形成する熱分解菅の一部の周囲の周りで比較的均一であることである。このデザインは、下流部の菅の壁を半径方向に通る熱流束プロファイルが理想に近く、菅の周囲の周りでほぼ同様のプロファイルを有する傾向にあるという利点を有する。これは、ピークの管金属温度と平均管金属温度との差が最小になり、したがって、デコーキング操作間の熱分解管の運転の長さを延長するようにピークの熱流束と平均熱流束との差を減少させる。
【００８８】
図２８及び図２９の実施形態は、２つの上流部ＵＰ１とＵＰ２とがあり、そこからの流出が単一の下流部ＤＰにつながっているという点で、図２６及び図２７のものと同様である。しかし、これらの実施形態の場合には、それ自体が２つの上流部ＵＰ１およびＵＰ２によってそれぞれの第１の下部移行部５０を介して供給されるＹ分岐部３８によって供給される単一のＵベンド管部３６がある。それ以外にも、図２８及びび図２９の実施形態の２つの上流部ＵＰ１およびＵＰ２の構成は、図２６の実施形態の上流部ＵＰ１およびＵＰ２のものと同じであり、その説明は、図２８及び図２９の実施形態に適用可能である。
【００８９】
図２８の実施形態を参照すると、これは渦巻流部３５を含む下流部ＤＰを有する、すなわち、それは螺旋状の中心線をもった半径方向外側管状壁２を有する。Ｕベンド管部３６は、直線の中間部３７に接続しており、今度はこの中間部３７は、第３の下部移行部５４に接続している。これは、渦巻流部３５への移行をもたらす。
図２９の実施形態は、下流部ＤＰが従来の流れ部分３３である、すなわち直線の中心線をもった円筒形の半径方向外側管状壁を有する点で図２８のものとは異なる。従来の流れ部分３３は、その上端部でＵベンド管部３６に直接接続され、その下端部で直線の出口部４２に直接接続されている。
【００９０】
図１５乃至図２９の実施形態は第２のタイプの熱分解菅を示しているが、これらの熱分解菅は代替的に第１のタイプまたは第３のタイプのものであり得る。第１、第２または第３のタイプにかかわらず、それらは環状流路内に突出する少なくとも１つの螺旋状突起を含み得る。
上記のすべての実施形態には、ガスが熱分解菅に沿って流れるときのガスの循環が促進される螺旋状に曲がりくねる環状流路がある。環状流路内のガスの流れの循環の促進は、ガスへの伝熱を改善する。旋回流は、軸方向速度成分の上に半径方向速度成分を有するガス、いわゆる渦巻流をもたらすことができる。環状通路内の渦巻流は対流伝熱を改善する一方、内側本体は環状流路を促進する旋回流を作るのに役立つ。対流伝熱が改善されるため、従来のものと比較してより短い長さの熱分解菅を使用してガスへの同量の伝熱を達成することができる。これは、今度は、少ない滞留時間を達成し、そして収率、すなわち所望の分解生成物の生成を改善する。
【００９１】
比較例
参照：van Goethem, M.W. .,Jelsma, E., 2014. Numerical and experimental study of enhanced heat transfer and pressure drop for high temperature applications; Chemical Engineering Research and Design 92, 663-671.
この記事は、従来の流れと渦巻流とを比較する計算流体力学（ＣＦＤ）研究の結果を含む。
本明細書のために、環状渦巻流のＣＦＤ研究を同じ基準で行った。分解炉における３タイプの熱分解菅の性能の間で比較を行った。結果を以下の表に示す。
【００９２】
【表１】
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【００９３】
「従来の」という見出しの欄は、直線の中心線をもった従来の熱分解菅に関する。
「渦巻流」という見出しの欄は、螺旋状の中心線と非閉塞の流れ管腔を有する、すなわち内側本体を有しない、特許文献３から知られているタイプの熱分解菅に関する。この場合、螺旋の振幅Ａは１６．８ｍｍであり、ピッチＰは４３４ｍｍであった。表から、菅の内径Ｄ0は５６ｍｍであったことが理解されよう。したがって、螺旋状の中心線の相対振幅はＡ／Ｄ0＝３０％であった。相対ピッチＰ／Ｄ0は７．７５であった。
【００９４】
「環状渦巻流」という見出しの欄は、内側本体３が螺旋状の中心線を有し、半径方向外側菅２が直線の中心線を有する第３のタイプの熱分解菅に基づく本発明のある実施形態に関する。螺旋状の中心線の振幅Ａは２３．４ｍｍであり、ピッチＰは６０５ｍｍであった。
したがって、相対振幅Ａ／Ｄ0は０．３であり、相対ピッチＰ／Ｄ0は７．７５であった。
【００９５】
本研究では、特定のパラメータがすべての実施例について同じになるように設定されたことに留意されたい。したがって、すべての熱分解菅は同じ質量流量５００ｋｇ／時を有していた。すべての菅は、それらが同じ１００％の「デューティ」を有するように大きさを決められる。これは、炉室からのその出口の菅の外面温が、出口の菅内の平均ガス温度よりも各例の同じ量だけ高いことを意味する。この温度差は１９０℃であった。
熱分解菅への平均ガス入口温度と平均ガス出口温度もすべての場合に等しいように設定された。このように、菅は、「デューティ」すなわち出口の温度差を上記のようにすることが各場合に同じであるように大きさを決められた（長さおよび直径）。
【００９６】
すべての菅は異なる摩擦特性を有している。この研究では、圧力降下もすべての場合について同じになるように寸法（長さおよび直径）を調整した。その場合、圧力降下が収率に対して有する効果はすべての場合について同一であると言うことができる。
結果は、熱分解菅の形状が菅の長さと滞留時間に対する効果を強調する表である。表から、螺旋状の中心線（渦巻流）をもった熱分解菅は、熱分解菅の長さを従来の熱分解菅のものの７２％まで減少させ、そして滞留時間は従来の熱分解菅のものの８４％まで減少することが理解され得る。
しかし、本発明のある実施形態を用いる例（「環状渦巻流」）は、これらのパラメータのより大きな減少をもたらす。長さは１００％から５４％に４６％短縮されている。重要なことには、滞留時間は１００％から７７％に２３％短縮されている。滞留時間は、これがプロセスの選択性を決定するため、最も重要なパラメータである。同じ温度および圧力の条件下の滞留時間の短縮は、一次分解生成物、すなわちエチレン、プロピレン、ブタジエンに対する選択性の改善をもたらす。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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